ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ И ФИЛЬТРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ Российский патент 1994 года по МПК B01D29/48 B01D39/00 

Изобретение относится к технологии водоочистки и может быть использовано в питьевом водоснабжении, для очистки технологических и промышленных сточных вод, для удаления из воды неприятных запахов.

В технологии водоочистки используются фильтры различных конструкций. Так, например, известен фильтр, фильтрующий элемент которого представлен ленточными спиралями с размещенным между ними фильтрующим материалом, один конец спиралей закреплен на стержне, установленном на оси фильтра, при этом ленточные спирали соединены между собой по трем кромкам спиралей с образованием глухой спиральной камеры, сообщающейся с выходным патрубком. Фильтрующий материал выполнен из металлической или пластмассовой сетки.

Недостатком данной конструкции является невозможность производить глубокую очистку воды, так как фильтр может задерживать только взвешенные, но не растворенные примеси, т.е. производить грубую очистку жидкости.

Известен также фильтр, фильтрующий элемент которого выполнен из скрученных на стержне в рулон двух фильтрующих лент с отогнутыми определенным образом краями. Данная конструкция отличается упрощенной технологией изготовления фильтра и улучшенными условиями регенерации фильтрующего элемента, однако также не позволяет осуществить очистку воды от растворенных веществ до требуемых норм ПДК.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому фильтрующему элементу является патронный фильтр, содержащий перфорированную втулку, на которой размещен фильтрующий материал, смотанный в рулон. Концы перфорированной втулки выполнены в виде обращенных друг к другу вершинами конусов, а торцы рулона скреплены эластичной липкой лентой, размещенной вдоль кромок фильтрующего материала, прикреплены к поверхности конусов.

Этот фильтрующий элемент отличается простотой изготовления и возможностью регенерации фильтрующего материала.

Однако такой элемент может быть использован при очень мягких режимах эксплуатации - низких производительности и рабочем давлении, а также при малой исходной концентрации загрязнителей. К тому же при применении в качестве фильтрующего материала углеволокнистых сорбентов исключается возможность разборки элемента для последующей регенерации, так как вместе с липкой лентой отрываются хрупкие углеродные волокна, что приводит фильтрующий материал в непригодное для дальнейшего использования состояние.

Для очистки воды в качестве фильтрующих материалов часто используют активированные угли. При этом фильтрующий материал может быть изготовлен в любой форме в зависимости от цели применения.

Известно также, что при использовании активных углей для очистки воды целесообразно применять микропористые (ширина пор 0,7-0,8 нм) и супермикропористые (ширина пор 1,3-2,0 нм) угли. Активные угли эффективны в отношении удаления из воды органических веществ, в том числе фенолов, альдегидов, ПАВ, а также хлора и других веществ.

Однако использование древесных, косточковых и других типов углей, применяемых в виде засыпок (порошок, гранулы и т.д.), усложняет конструкцию фильтра, снижает производительность и качество очистки из-за слабо развитой пористой структуры этих углей и большого сопротивления движению потока воды. К тому же регенерация таких углей затруднена.

Наиболее близким по технической сущности, функциональному назначению и достигаемому результату является использование в качестве фильтрующего материала для очистки воды волокон из активированного угля с поверхностным напылением серебром.

Серебро придает активированному углю антисептические свойства, в результате чего не происходит роста бактерий на угле в процессе эксплуатации фильтра.

Однако данное техническое решение не является универсальным для различных растворенных загрязнителей, а характеризуется избирательным действием по отношению к растворенному хлору. К тому же такой материал дорогой из-за наличия серебра, а использование его в виде волокон, не сформированных в текстильную структуру, усложняет работу с сорбентом при изготовлении фильтра и его эксплуатации.

Технический результат заключается в создании конструкции фильтрующего элемента, обладающего высокой производительностью при высоком качестве очистки воды, надежностью, простотой изготовления и использования, а также разработка нового фильтрующего материала, обладающего высокоразвитой пористой структурой, большой удельной поверхностью пор и повышенной сорбционной емкостью по различным загрязнителям воды преимущественно органической природы.

Фильтрующий элемент выполнен в виде намотанного на перфорированном стержне непрерывной спиралью в рулон фильтрующего материала, причем через каждые 4-6 слоев материала рулон снабжен дренирующими прокладками из полимерной сетчатой ткани и неразъемно соединен торцами с уплотнительными крышками, а фильтрующий материал представляет собой активированный углеродный волокнистый материал в виде ткани или трикотажа, выполненный из волокон, основу которых составляет высокоактивированный углерод, а поверхность их покрыта пористой пленкой диоксида кремния при следующем соотношении компонентов, мас.%: Активированный углерод 90-99 SiO₂ 1-10 причем активированный углерод имеет следующие параметры пористой структуры: Удельная поверхность, м²/г 1800-2500 Объем микропор, см³/г 0,5-0,75 Объем мезопор, см³/г 0,3-0,55
На фиг. 1 изображен фильтрующий элемент, на фиг. 2 - фильтрующий материал (схематическое изображение).

Фильтрующий элемент содержит внутренний полый перфорированный стержень 1 и наружный перфорированный каркас 2, между которыми помещен в виде рулона тканевый или трикотажный фильтрующий материал 3 с дренирующими прокладками 4, причем торцы рулона, стержня и каркаса соединены вместе и неразъемно с уплотнительными крышками 5.

Каркас 2 имеет входные отверстия (перфорацию) 6, а внутренний стержень 1 - выходные отверстия 7, сообщающиеся с водоотводящим каналом 8.

Стержень, каркас, дренирующие сетчатые (тканевые) прокладки выполнены из полимера (полипропилен, полиэтилен, капрон).

Очищаемая вода поступает через входные отверстия (перфорацию) наружного каркаса, проходит через слои фильтрующего материала, а очищенная вода через выходные отверстия внутреннего стержня подается в водоотводящий канал элемента.

Количество слоев фильтрующего материала (ФМ) определяется заданными рабочими параметрами фильтра: производительностью, ресурсом работы при заданных граничных максимальных концентрациях вредных веществ в воде. Толщина рулона может варьироваться в широких пределах (до 60 слоев ФМ и более), при этом чередование через 4-6 слоев дренирующих прокладок позволяет практически не увеличивать рабочее давление на элементе.

Если прокладки размещать менее, чем через 4 слоя ФМ, получается громоздкая конструкция элемента, снижается производительность и повышается стоимость фильтра.

При большем интервале между прокладками (свыше 6 слоев ФМ) резко возрастает рабочее давление за счет повышения гидравлического сопротивления, что потребует дополнительных энергетических затрат на очистку воды.

Для герметизации торцов рулона и формирования на них уплотнительных крышек предварительно перед сборкой элемента на полоску ФМ наваривают полоски из полимера (полипропилена, полиэтилена) с таким расчетом, чтобы они выступали на 10-15 мм за линию наварки.

Контакт пленки с ФМ получается плотным и надежным. После намотки ФМ в рулон на внутреннем стержне и помещения его в наружный каркас торец элемента помещают в подогреваемую пресс-форму, свободный объем которой заполняют гранулами или крошкой полимера того же типа, что и пленка на ФМ.

Возможно помещение торца как в холодную пресс-форму с последующим подогревом ее, так и в уже прогретую, с размягченной массой полимера.

При нагревании пленка, наваренная на ФМ, размягчается и при небольшом давлении принимает форму пресс-инструмента, при этом все края ФМ, дренирующих прокладок, внутреннего стержня и наружного каркаса заплавляются полимером и неразъемно (герметично) соединяются между собой, образуя уплотнительную крышку требуемой конфигурации и размеров.

На фиг. 2 представлен фильтрующий материал для глубокой очистки воды, выполненный из волокон, основу 1 которых составляет активированный углерод, а поверхность покрыта пленкой 2, состоящей из SiO₂, при соотношении, мас.%: Активированный углерод 90-99 SiO₂ 1-10
Активированный углерод обладает удельной поверхностью пор 1800-2500 м²/г при объеме микропор 0,5-0,75 см³/г и мезопор - 0,3-0,55 см³/г.

Фильтрующий материал получают следующим образом.

Исходное гидратцеллюлозное волокно формируют в материал - ткань (например, саржевого переплетения) или трикотаж известными способами, отмывают в растворителе (например, ацетоне) от замасливателя, сушат и пропитывают раствором кремнийорганического соединения в ацетоне или толуоле, сушат, а затем подвергают карбонизации - высокотемпературной обработке при температуре 910-940^оС в нейтральной или восстановительной газовой среде при медленном ступенчатом нагреве по специальной программе, после чего активируют в окислительной среде (например, водяным паром) при температуре 910-980^оС.

Отличительной особенностью способа является использование в качестве пропитывающего вещества кремнийсодержащих соединений, причем количество его рассчитывается таким образом, чтобы получить на карбонизованном материале пленку из диоксида кремния при следующем соотношении, мас.%: Углерод 97,0-99,2 SiO₂ 0,8-3,0
Полученный фильтрующий материал обладает достаточной механической прочностью, позволяющей сформировать конструкцию элемента, работоспособную при рабочем давлении 0,3 МПа и более.

Материал обладает высокоразвитой системой пор: микро-, мезо- (супермикропор) и макропор, а также межжгутовых и межволоконных каналов и полостей, которые выполняют роль транспортных, что обеспечивает высокую степень очистки воды от различного вида загрязнений.

Собственно сорбирующими являются микро- и мезопоры, остальные - транспортные.

Удельная поверхность как показатель пористой структуры, также относится только к микро- и мезопорам, поверхность же остальных пор незначительна.

Кроме особой пористой структуры, выраженной в большом сорбционном объеме микро- и мезопор, не имеющем аналогов в углеродных сорбентах (активных углях) вообще и в волокнистых, в частности, предложенный активированный углеродный волокнистый материал отличается наличием на поверхности моноволокон пористой пленки из диоксида кремния.

Поры этой пленки относятся к типу макропор, т.е. являются транспортными. Роль пленки - микродренаж, разделяющая транспортная прослойка.

Наличие инертной пористой пленки позволяет уменьшить сопротивление ФМ потоку воды.

Предложенное техническое решение иллюстрируется следующим примером.

П р и м е р. Исходную загрязненную воду, имеющую следующие показатели, мг/л: Состав 1. Цветность 60 град. Мутность 30 мг/л Запах 4 балла Активный хлор 30 Бензол 1,2 Фенол 0,4 Состав 2. Цветность 50 град Мутность 25 Сероводород 2,0 Формальдегид 0,8 пропускают через фильтрующий элемент. Вода поступает через входное отверстие 6 каркаса 2 и далее на фильтрующий материал 3 с дренирующими прокладками 4, где она очищается от примесей за счет сорбции их порами фильтрующего материала.

Очищенная вода через выходные отверстия 7 стержня 1 поступает в водоотводящий канал 8 и далее - потребителю.

Общее количество слоев ФМ составляло 25 - из расчета на производительность 30 л/ч. Дренирующие прокладки помещались через 3 слоя (а), 5 слоев (б), 7 слоев (в) ФМ. Контролировались: производительность, рабочее давление, фильтроцикл (до проскока - превышения концентрации в очищенной воде загрязнителя свыше ПДК).

В таблице приведены характеристики работы фильтрующего элемента и качества воды после очистки. При очистке загрязненной воды состава 1 был использован ФМ со следующими характеристиками: активированный углерод - 90%, SiO₂ - 10, удельная поверхность 1800 м²/г, объем микропор 0,5 см³/г, объем мезопор 0,3 см³/г. Для воды состава 2 характеристики ФМ соответственно следующие: 99%, 1%, 2500 м²/г, 0,75 см³/г, 0,55 см³/г.

Из приведенного примера следует, что оптимальными характеристиками очистки воды обладает фильтрующий элемент, в котором дренирующая прокладка располагается через 5 слоев ФМ (вариант б). При этом варианте отмечается наибольшая продолжительность фильтроцикла при умеренных рабочем давлении и гидравлическом сопротивлении.

Во всех приведенных вариантах элемента очищаемая вода по содержанию примесей и органолептическим показателям соответствовала требованиям ГОСТа 2874-82 "Вода питьевая".

Использование: питьевое водоснабжение, очистка технологических и промышленных сточных вод, удаление из воды неприятных запахов. Фильтрующий элемент (ФЭ) содержит стержень, на котором размещен смотанный в рулон фильтрующий материал (ФМ). Рулон через каждые 4 - 6 слоев ФМ снабжен дренирующими прокладками и неразъемно соединен торцами с уплотнительными крышками. Фильтрующий материал выполнен в виде ткани или трикотажа и состоит из волокон, основу которых составляет активированный углерод, а поверхность покрыта пленкой диоксида кремния при следующем соотношении компонентов, мас.%: активированный углерод 90 - 99, SiO₂ 1 - 10, причем активированный углерод имеет следующие параметры пористой структуры: удельная поверхность 1800-2500 м²/г , объем микропор 0,5-0,75 см/г , объем мезопор 0,3-0,55 см³/г . Изобретение позволяет очищать загрязненную воду до норм, соответствующих питьевой воде. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Фильтрующий элемент для глубокой очистки воды, содержащий перфорированный стержень, на котором размещен фильтрующий материал, смотанный в рулон, отличающийся тем, что рулон через каждые 4 - 6 слоев фильтрующего материала снабжен дренирующими прокладками и неразъемно соединен торцами с уплотнительными крышками, а фильтрующий материал представляет собой ткань или трикотаж, выполненный из волокон, основу которых составляет активированный углерод, а поверхность покрыта пористой пленкой диоксида кремния при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Активированный углерод 90 - 99
Диоксид кремния 1 - 10
причем активированный углерод имеет следующие параметры пористой структуры:
Удельная поверхность 1800 - 2500 м²/г
Объем микропор 0,50 - 0,75 см³/г
Объем мезопор 0,30 - 0,55 см³/г
2. Фильтрующий материал для глубокой очистки воды, содержащий волокна из активированного углерода, отличающийся тем, что поверхность волокон покрыта пористой пленкой диоксида кремния при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Активированный углерод 90 - 99
Диоксид кремния 1 - 10
а активированный углерод имеет следующие параметры пористой структуры
Удельная поверхность 1800 - 2500 м²/г
Объем микропор 0,50 - 0,75 см³/г
Объем мезопор 0,30 - 0,55 см³/г